ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ОСНОВЕ СМЕШАННЫХ ХЛАДОГЕНТОВ В РОССИИ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ЭКСПЕРТНОЕ МНЕНИЕ

Научная статья

УДК 339.166.2 : 665.725

DOI 10.51608/26867818_2023_4_182

ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ОСНОВЕ СМЕШАННЫХ ХЛАДОГЕНТОВ В РОССИИ

© Авторы 2023 АЛПАТОВ Денис Алексеевич

ведущий инженер-проектировщик КИПиА и СС

ООО «Газпром Линде Инжиниринг» (Россия, СПб)

SPIN: 9496-4605 МЕЛЬНИКОВА Дарья Александровна

ORCID: 0000-0003-2556-0824 кандидат технических наук, доцент кафедры "Автоматизация

и управление технологическими процессами", заместитель директора Института автоматики и информационных технологий

Самарский государственный технический университет

СРоссия, Самара, e-mail: melnikovadal988@mail.ru)

SPIN: 9373-0609 ЕРМОЛИНА Лилия Валерьевна

ORCID: 0000-0002-1966-1250 кандидат экономических наук, доцент, кафедра «Прикладной

менеджмент»

Самарский государственный экономический университет СРоссия, Самара, e-mail: ermolina@mail.ru)

Аннотация. Данная статья обновляет научное понимание процесса сжижения газа в российской отрасли и задает возможное направление для ее развития. Известно, что, базовые процессы по получению сжиженного природного газа (СПГ) с использованием термодинамических циклов включают следующие этапы: подготовка сырьевого газа, генерация холода, охлаждение газа до точки сжижения при определенном давлении и его последующее переохлаждение. Обычно применяются многократные процессы конденсации, испарения, сжатия, расширения, фазового разделения, смешения и перемещения хладагентов, сырьевого газа и их компонентов и т.д. Для осуществления данных процессов требуется огромная база сложного оборудования, однако, их можно оптимизировать, используя, отрицательные температуры окружающей среды, а также грамотное распределение потока хладагентов.

В статье, помимо отражения текущего положения дел по производству СПГ в России, отмечается значимость выбора оптимальных источников холода, способов его получения и передачи, а также подчеркивается значимость исследований методики получения СПГ на основе смешанных хладагентов. Приводится краткий анализ существующих в стране технологий по данному направлению. Описываются процессы, основанные на каскадных циклах, из чего можно сделать вывод о целесообразности применения их в местах с низкой температурой. Доказывается преимущество использования способов с применением смешанных хладагентов в условиях российского климата на основе практических данных.

Ключевые слова: СПГ; термодинамический цикл; сырьевой газ; хладагент; каскадные циклы

Для цитирования: Алпатов Д.А., Мельникова Д.А., Ермолина Л.В. Преимущества применения технологий сжижения природного газа на основе смешанных хладогентов в России // Эксперт: теория и практика. 2023. № 4 (23). С. 182-187. скн 10.51608/26867818 2023 4 182

ф

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

Original article

ADVANTAGES OF APPLICATION OF NATURAL GAS LIQUEFACTION TECHNOLOGIES BASED ON MIXED REFRIGERANTS IN RUSSIA

© The Author(s) 2023 ALPATOV Denis Alekseevich

Leading design engineer of Instrumentation and control systems Gazprom Linde Engineering LLC (Russia, St. Petersburg)

MELNIKOVA Daria Alexandrovna

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department "Automation and Control of Technological Processes", Deputy Director of the Institute of Automation and Information Technologies

Samara State Technical University

(Russia, Samara, e-mail: melnikovada1988@mail.ru)

ERMOLINA Liliya Valerievna

Candidate of Economic Sciences, Associate Professor, Department of

Applied Management

Samara State Economic University

(Russia, Samara, e-mail: ermolina@mail.ru)

Abstract. This article updates the scientific understanding of the gas liquefaction process in the Russian industry and sets a possible direction for its development. It is known that the basic processes for the production of liquefied natural gas using thermodynamic cycles include the following steps: raw gas preparation, cold generation, gas cooling to a point of liquefaction at a certain pressure, and its subsequent hypothermia. Usually, it involves multiple processes of condensation, transpiration, compression, expansion, phase separation, mixing and transport of refrigerants, raw gases and their constituents, etc. These processes require a huge database and complex equipment. However, they can be optimized using negative ambient temperatures as well as proper refrigerant flow distribution. In addition to highlighting the current state of liquefied natural gas production in Russia, the article notes the importance of choosing the best sources of cold and how it is received and transmitted. It also emphasizes the importance of research into liquefied natural gas production based on mixed refrigerants. A brief analysis of the existing technologies in the country in this area is given. Processes based on cascade cycles are described, which leads to the conclusion that it is advisable to use them in low-temperature places. It proves the advantage of mixed refrigerant methods in the Russian climate based on practical data. Keywords: natural gas liquefaction; thermodynamic cycle; raw gas; refrigerant; cascade cycles

For citation: Alpatov D.A., Melnikova D.A., Ermolina L.V. Advantages of application of natural gas liquefaction technologies based on mixed refrigerants IN Russia // Expert: theory and practice. 2023. N° 4 (23). Рр. 182-187. (InRuss.). doi 10.51608/26867818 2023 4 182

В последние годы российская отрасль по производству СПГ активно подвергается как количественным, так и качественным преобразованиям. На конец периода 30-х годов запланированы пуски еще трех крупнотоннажных СПГ-заводов (Арктик СПГ 2, Балтийский и Дальневосточный), которые в сумме должны увеличить выпуск готовой продукции больше, чем на 36 млн тонн в год. При этом, в расчет не берутся средне- и малотоннажные предприятия (рис. 1).

Таким образом, можно говорить о том, что Российская СПГ отрасль сформировалась как самостоятельный и равноправный сегмент российской газовой промышленности [1].

Рисунок 1. Карта основных заводов СПГ по России

(авторская разработка)

Однако, ввиду ухода ведущих правообладателей разработок и производителей

Экспертное мнение

СПГ-аппаратуры с отечественного рынка основная проблема остается в технологии. Все же, российская компания «Новатэк» настойчиво работает над улучшением ситуации, таким образом, разработав уже четыре технологии по сжижению газа (рис. 2).

Рисунок 2. Обзор технологий производства СПГ в России (авторская разработка)

Однако, на практике протестирован только первый способ - на 4-ой линии завода Ямал СПГ. Кроме того, технология «Арктический каскад модифицированный» рассчитана на производство до 3 млн тонн в год, что более свойственно для среднетоннажного производства [2]. «Арктический микс» обещает большие объемы, но технология разработана для реализации проектов на базе оснований гравитационного типа, что делает ее достаточно специфичной, заявленная мощность -более 6 млн тонн СПГ в год [3].

Важно подметить, что компания в августе 2023 года выпустила первую технологическую линию проекта Арктик СПГ - 2 как раз на базе платформы, описанной ранее, при этом технология получения СПГ в общий доступ не попала. По заявлению главы «Новатэка» данная линия должна выйти на проектную мощность, к слову - 6,6 млн тонн в год, в первом квартале 2024 года. Можно предположить, что компания уже внедрила свою последнюю разработку на «плавучий завод» и об успешности или неуспешности предприятия скоро будет известно.

Таким образом, несмотря на постепенное улучшение положения по добыче СПГ, перед страной все еще стоит огромная задача по испытаниям и внедрению российских способов сжижения природного газа на планируемые и строящиеся заводы СПГ. Вместе с тем, за основу должны браться разработки на основе технологий смешанного хладогента, в частности БМЯ, поскольку именно российский климат позволяет получать максимальную результативность при их использовании.

Наиболее важными факторами, с точки зрения энергетической эффективности при производстве СПГ, являются: виды источника и способы получения холода, а также способы его передачи сырьевому газу. Известно, что наименьшие энергетические потери в процессе сжижения обеспечиваются при осуществлении теплообмена между хладагентом и сырьевым газом, включая охлаждение последнего от исходной окружающей температуры до температуры сжижения, при постепенном изменении температур испарения

хладагентов с минимальными перепадами температур между ними. Однако, такие технологии требуют большого числа криогенных теплообменников и потоков хладагентов [4].

При этом, процесс охлаждения сырьевого газа хладагентом, который уже охлажден до температур сжижения, несет в себе наибольшие энергетические затраты. Такое явление особенно часто встречается при использовании чистых азотных циклов, где температурные перепады достаточно значительны. Однако, технологические установки с оборудованием, использующие данные циклы охлаждения, имеют достаточно простую конструкцию, а затраты на разработку и реализацию такого проекта невелики по сравнению, например, с установками, использующими циклы смешанных хладагентов.

В связи с этим развитие технологий сжижения идет в направлении поиска оптимального компромисса между требованиями высокой экономичности и малых капитальных затрат в зависимости от единичных мощностей, конкретных условий эксплуатации и других факторов.

В зависимости от исходных параметров и состава сырьевого газа, видов и источников используемого холода, рода хладагентов, характеристик используемых процессов и технологического оборудования возможно создание большого многообразия технологических схемсжижения природного газа, которые можно классифицировать по следующим важным признакам:

- видам используемых компрессоров: центробежные, осевые и т.п.;

- видам приводов компрессоров: газотурбинные, паротурбинные, электроприводные и т.п.;

- конструктивным типам криогенных теплообменников: спиральновитые, пластинчато-ребристые и т.п.;

- месту (ступени охлаждения сырьевого газа), где выделяются более тяжелые углеводородные фракции;

- способу охлаждения хладагентов после компримирования: воздушное или водяное и т. п.

Каскадные процессы, применяемые в классической технологии сжижения природного газа, характеризуются тремя внешними замкнутными холодильными циклами. Такая технология включает в себя наибольшее количество температурных уровней для охлаждения сырьевого газа, число которых может быть больше 10. В основе ее применения лежит использование хладагентов, обладающих различными температурными точками кипения, а также различных уровней давления при циркуляции этих хладагентов (рис. 3).

ф

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

Рисунок 3. Принципиальная схема классического каскадного цикла [5]

Благодаря такому разнообразию достигается наибольшая близость каскадных процессов к теоретическим процессам с минимальными энергозатратами, но для их функциональности требуется большое количество компрессоров (К1, К2, К3), холодильных аппаратов (Х1, Х2, Х3) и теплообменников (Т1, Т2, Т3), что оказывается экономически нецелесообразно.

В то же время, на средне- и крупнотоннажных СПГ-проектах существует распространенная практика применения циклов сжижения на основе смешанных хладагентов (СХА). По сути, данные циклы также являются каскадными, где процесс охлаждения разбивается на несколько температурных уровней-каскадов. Однако важной преимущественной особенностью является поэтапное охлаждение СХА, частичная его конденсация и отделение более тяжелых сжиженных фракций из первоначального состава. Более легкие паровые фракции используются на последующих, более низких температурных уровнях охлаждения сырьевого газа.

Природный газ проходит предварительное охлаждение и частичную конденсацию с использованием смешанного хладагента в теплообменниках Т1 и Т2. После этого он подается в основной криогенный теплообменник Т3. Поток разделяется на "тяжелую" и "легкую" фазы. "Тяжелая" фаза смешанного хладагента возвращается в теплообменник, где она охлаждается и конденсируется. Затем сжиженный природный газ направляется в хранилище. Для отделения азота от СПГ используется сепаратор С2, а "легкая" фаза смешанного хладагента, которая образуется при сбросе давления в дросселе Д4, компрессируется и используется в качестве топливного газа [5]. Другие потоки смешанного хладагента полностью испаряются в предварительных теплообменниках и возвращаются в компрессоры (рис. 4).

Рисунок 4. Принципиальная схема цикла с смешанными хладагентами [6]

Таким образом, главное свойство смешанного хладагента заключается не в его многокомпонентности, а в возможности изменения его состава по мере охлаждения. Это достигается благодаря многоступенчатому охлаждению и выделению из него все более легких фракций, начиная с тяжелых. Такая технология позволяет максимально использовать региональные климатические особенности расположения заводов, а, именно, холодные зимы, которые наибольшим образом преобладают в зонах добычи природного газа в России.

9

DMR

C3MR

-20

~Г

-10

"Г

10

30

0 10 20 Температура окружающей среды, °С

Рисунок 5. Расчетная зависимость производительности заводов СПГ от температуры окружающей среды для процессов DMR и С3MR [7]

На рис. 5 демонстрируется взаимосвязь объема выпуска СПГ от температуры окружающей среды с взятыми для сравнения двумя технологиями: DMR, основанный на смешанных хладагентах, и C3MR, который в качестве хладагента на первой ступени использует пропан. В теплое время, при температуре выше нуля, динамика производительности процессов практически одинакова. С понижением температуры эффективность обоих процессов возрастает. Рост в свою очередь обусловлен увеличением мощности турбин (Шт), так как она прямо пропорциональна

Экспертное мнение

массе объемного расхода воздуха (Ga). Если температура окружающей среды превышает номинальную проектную точку и объемный расход установлен, массовый расход, поставляемый в камеру сгорания, будет уменьшаться [7]: WT = PaVa AhT = Ga AhT.

Кроме того, рост объема производства технологии DMR при температуре ниже нуля выше, что объясняется уменьшением температуры кипени исходного СХА-1, и, соответственно, увеличением итогового КПД цикла. Эффективность использования погодных условий при производстве СПГ доказывается и на практике. Данные приведены в Таблице 1.

Предоставленная информация подтверждает, что ранее сделанный вывод о том, что оптимизация работы цикла зимой приносит ощутимый прирост эффективности к производительности СПГ заводами, является верным.

Климатические условия также имеют значительное влияние на удельный расход энергии на холодильные компрессоры при производстве сжиженного газа, поскольку высокая температура увеличивает тепловую нагрузку на оборудование, что требует больше энергии для поддержания необходимого уровня охлаждения. В Таблице 2 представлены показатели удельного расхода энергии по опубликованным источникам технологий,

использованных на ряде конкретных крупнотоннажных заводов или установок СПГ.

Конечно, приведенные данные являются весьма ориентировочными, поскольку, с одной стороны, каждая группа технологий имеет множество вариантов и модификаций, и все технологии продолжают непрерывно совершенствоваться. С другой стороны, энергетическая эффективность каждой конкретной технологии зависит от большого числа других факторов, таких как единичная мощность технологической линии, исходное давление сырьевого газа, применяемые варианты технологического оборудования: компрессоров, приводных систем (газовые, паровые турбины и т.п.), видов теплообменников, систем охлаждения (водяное, воздушное).

Таким образом, с уверенностью можно утверждать, что для повышения эффективности процесса сжижения газа важно учитывать и выбирать оптимальные источники холода, а также, способы его получения и передачи. Кроме того, целесообразным является исследование и внедрение технологий на базе смешанного хладогента, которые демонстрируют отличные результаты в рамках российского климата, как указывают приведенные данные.

Таблица 1. Сравнение проектных и фактических мощностей заводов СПГ, использующих минусовые

температуры в своей технологии (авторская разработка)

Предприятие Используемая технология Проектная мощность, Мт/год Фактическая мощность, Мт/год Прирост эффективности, %

Россия, «Сахалин-2» DMR 9,6 11,5 19,8

Россия, 4-я линия «Ямал СПГ» Арктик-Каскад 0,9 0,954 6

Норвегия, «Snohvit» MFC 4,3 4,73 10

Таблица 2. Удельный расход энергии на холодильные компрессоры для отдельных реализованных технологий (авторская разработка)

Группы технологий Типовые представители технологий Удельный расход мощности СПГ, кВТ ч кг

Циклы на смешанном хладагенте с предварительным пропановым охлаждением C3MRAirProducts 0,295...0,33

Циклы с двумя смешанными хладагентами DMR Shell идр.; Gazprom DMR 0,3

Каскадные циклы CoP LNG process; Conoco Phillips идр. 0,3.0,32

Циклы на одном смешанном хладагенте SMR Shell и Prico; PCMR Kryopak идр. 0,32.0,40

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

Библиографический список

1. Климентьев, А. А. Карта российской СПГ отрасли 2022 / А. А. Климентьев // Деловой журнал Neftegaz.RU. - 2022. - № 4(124). - С. 5060. - EDN MBRONH. 5.

2. Патент № 2797608 С1 Российская Федерация, МПК Б251 1/00. Способ сжижения природного газа "АРКТИЧЕСКИЙ МИКС" : № 2023103701 : заявл. 17.02.2023 : опубл. 07.06.2023 / С. В. Руденко, П. О. Федосеев, Т. Э. Разяпов [и др.] ; заявитель Публичное акционерное общество "НОВАТЭК". - EDNRDAJZS. 6.

3. Патент № 2792387 С1 Российская Федерация, МПК F25J 1/00. Способ сжижения природного газа "Арктический каскад модифицированный" и установка для его осуществления : № 2022130053 : заявл. 18.11.2022 : опубл. 21.03.2023 / С. В. Руденко, П. О. Федосеев, Н. Д. 7. Нозиков [и др.] ; заявитель Публичное акционерное общество "НОВАТЭК". - EDN MBUHOG.

4. Степанов, В. В. Оптимизационные технико-экономические исследования энерготехнологических установок производства

СПГ и электроэнергии с извлечением гелия: дис. ... канд. ист. наук: 05.14.01: защищена 23.06.2009: утв. 24.12.2009 / Степанов Виталий Викторович. - Иркутск, 2009. - 150 с. Мещерин, И. В. Анализ технологий получения сжиженного природного газа в условиях арктического климата / И. В. Мещерин, А. Н. Настин // Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И. М. Губкина.

- 2016. - № 3(284). - С. 144-157. - EDN WWKERJ.

Гречко, А. Г. Возможные направления оптимизации проектов крупнотоннажного производства сжиженного природного газа / А. Г. Гречко, А. И. Новиков // Газовая промышленность. - 2017. - № 6(753). - С. 74-82.

- EDN YUPZKP.

Боровков, В. М. Влияние окружающей температуры воздуха на мощность газовой турбины / В. М. Боровков, Т. М. Абу-Рахма // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2006. - № 1-2. - С. 3-7. - EDN КТ'О'УТН.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.

Статья поступила в редакцию 01.10.2023; одобрена после рецензирования 30.11.2023; принята к публикации 30.11.2023.

The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication.

The article was submitted 01.10.2023; approved after reviewing 30.11.2023; accepted for publication 30.11.2023.